發(fā)動機試驗效率提升精益技術(shù)研究與應(yīng)用

丁金想DING Jin-xiang；石曉磊SHI Xiao-lei；謝委顏XIE Wei-yan；于光遠YU Guang-yuan

（①中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028；②北京航協(xié)認證中心有限責(zé)任公司，北京 100028；③用友網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司，北京 100089；④招商局地產(chǎn)（北京）有限公司，北京 100022）

0 引言

航空發(fā)動機是一種典型的技術(shù)密集型產(chǎn)品，其具有研制周期長、技術(shù)難度大、耗費資金多等特點，除了需要很強的設(shè)計、加工和制造能力，還需要進行長期的試驗和試飛，只有經(jīng)過設(shè)計、制造、試驗、修改設(shè)計、再制造、再試驗的反復(fù)摸索和迭代過程，才可能完全達到技術(shù)指標(biāo)的要求，試驗是保證發(fā)動機質(zhì)量、積累發(fā)動機研發(fā)知識和提升發(fā)動機競爭力的重要手段。因此，發(fā)動機試驗是發(fā)動機研制階段中的重要一環(huán)，它不僅用來檢驗發(fā)動機整體以及相關(guān)零部件的可靠性，同時還用來驗證發(fā)動機的性能是否達到了最初的設(shè)計指標(biāo)，所以一臺發(fā)動機在成功量產(chǎn)前離不開大量的試驗。高效的發(fā)動機研發(fā)試驗，除了要有先進的試驗設(shè)施設(shè)備和專業(yè)的技術(shù)人員以外，試驗效率也是不可忽視的影響因素。

發(fā)動機試驗效率的高低關(guān)系到發(fā)動機研制進度和試驗系統(tǒng)運行成本，提升發(fā)動機試驗效率，對于有效縮短發(fā)動機研制周期、降低試驗成本具有重要意義。

1 概述

1.1 理論基礎(chǔ)

設(shè)備綜合效率（OEE）起源于上世紀(jì)六十年代的日本，作為推行全員生產(chǎn)維護TPM 的重要衡量指標(biāo)，已經(jīng)被越來越多的企業(yè)所應(yīng)用[1-2]，其簡單、綜合性的優(yōu)點能使企業(yè)迅速找到生產(chǎn)管理中設(shè)備效率損失的原因，并采取相關(guān)措施。如何根據(jù)試驗業(yè)務(wù)的特點，結(jié)合OEE 的描述方式，設(shè)計衡量試驗效率的綜合指標(biāo)對于統(tǒng)一和規(guī)范試驗效率評價方式具有重要意義。

與傳統(tǒng)的制造過程相比，試驗過程面臨更多的復(fù)雜性和不確定性，不確定性是科研試驗任務(wù)的重要特征，主要包括兩類：試驗件到達的不確定以及試驗執(zhí)行過程中的不確定性，這些特征使得試驗系統(tǒng)的計劃和調(diào)度問題更加難以處理，仿真優(yōu)化是一種適合解決含有不確定性調(diào)度問題的有效方法[3-4]，目前在很多行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用，丁金想[5-6]等人研究了同樣包含很多不確定性因素的航空維修企業(yè)計劃和調(diào)度問題，在對航空維修企業(yè)調(diào)度問題詳細分析的基礎(chǔ)上，文章建立以最小化期望權(quán)重延誤時間為目標(biāo)的仿真模型，并應(yīng)用調(diào)度規(guī)則、NEH 和GA 三種啟發(fā)式算法對仿真模型進行求解，文章的結(jié)論也從不同角度給實際航空維修企業(yè)調(diào)度管理者提供決策參考。

對于作業(yè)流程優(yōu)化，一般可采用經(jīng)典工業(yè)工程[7]中的方法研究相關(guān)理念和方法，對整個流程進行分析和優(yōu)化，運用各種分析技術(shù)對現(xiàn)有工作方法進行記錄、考察、分析和改進，設(shè)計出最經(jīng)濟、合理、有效的工作方法，從而減少人員、機器的無效動作和資源的消耗，并使方法標(biāo)準(zhǔn)化。通過應(yīng)用一系列的工具和方法（例如程序分析、操作分析、動作分析、關(guān)鍵路徑法、防錯法等），對工作方法進行分析、設(shè)計和改善，實現(xiàn)改進工藝流程、改進車間平面布置、減少勞動強度、改進資源利用效率、改善工作環(huán)境等目標(biāo)。

1.2 應(yīng)用研究

黃偉[8]研究了汽車發(fā)動機試驗效率提升的方法，文章通過對發(fā)動機試驗流程進行識別，對影響試驗效率的重要工作環(huán)節(jié)進行分析，通過應(yīng)用發(fā)動機預(yù)備搭建、搭建工藝優(yōu)化、自動試驗程序、集中監(jiān)控、管理系統(tǒng)、運行數(shù)據(jù)分析、設(shè)備TPM 管理、試驗人員管理等手段系統(tǒng)提升了的試驗效率。譚眾[9]以某公司航空發(fā)動機試驗流程為研究對象，在系統(tǒng)診斷和分析的基礎(chǔ)上，探尋航空發(fā)動機試驗存在的主要問題，并通過優(yōu)化試驗工藝流程、規(guī)范試驗作業(yè)、提升人員技術(shù)等方面工作，并對原有基層組織結(jié)構(gòu)進行調(diào)整與優(yōu)化，提高試驗中心的試車工作效率，降低試車試驗成本，提高航空發(fā)動機試驗的綜合效益。顯然，現(xiàn)有的研究更多關(guān)注的是如何縮短發(fā)動機占臺準(zhǔn)備時間，而沒有關(guān)注空臺等待時間的降低。

1.3 研究亮點

本文首次提出衡量發(fā)動機試驗效率的綜合指標(biāo)以及計算公式，并對影響試驗效率的關(guān)鍵因素進行定義；同時開展試驗件上下臺過程的梳理和分析，利用精益生產(chǎn)工具和技術(shù)方法進行優(yōu)化，并將研究成果在相關(guān)企業(yè)進行實踐應(yīng)用。

2 試驗效率指標(biāo)設(shè)計

2.1 衡量效率的指標(biāo)設(shè)計

目前，衡量試驗效率的指標(biāo)主要有“年度發(fā)動機運轉(zhuǎn)時數(shù)”、“試驗有效率=發(fā)動機運轉(zhuǎn)時數(shù)/設(shè)備運行時數(shù)”、“上下臺時間”等，分析發(fā)現(xiàn)，這類指標(biāo)存在局限性，并不能系統(tǒng)全面反應(yīng)設(shè)備效率情況，關(guān)注的只是部分時間損失。OEE 是一個國際上公認的可以較為全面反映生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備運行效率狀況的過程性管理指標(biāo)，然而，直接使用OEE指標(biāo)來衡量試驗的效率顯然不太合適，為此，我們結(jié)合試驗的特點和OEE 指標(biāo)思想，對傳統(tǒng)的OEE 指標(biāo)進行改進，并將改進后的衡量指標(biāo)定義為OEE_T，其計算公式如下：

其中，可開動時間等于日歷工作時間與計劃停機時間之差，計劃停機時間主要是指按計劃維護保養(yǎng)時間。

2.2 影響效率的關(guān)鍵因素

從OEE_T 指標(biāo)構(gòu)成可以看出，影響試驗效率的因素主要由三部分組成，分別是占臺率、設(shè)備開動率和試驗有效率。占臺率描述的是是否被安排試驗件進行試驗，如果沒有被安排試驗件，或被安排的試驗件未按計劃到達，而導(dǎo)致必須空臺等待造成的時間損失，此外，占臺率也可反映設(shè)備因故障導(dǎo)致的時間損失?？梢?，占臺率的高低主要與試驗任務(wù)安排和設(shè)備維護保養(yǎng)相關(guān)。

設(shè)備開動率描述的是發(fā)動機占臺過程中設(shè)備有無運行，主要體現(xiàn)為發(fā)動機占臺準(zhǔn)備時間的損失，事實上，發(fā)動機在試驗前必須經(jīng)過較長時間的安裝和調(diào)試階段，這段時間往往算作的“內(nèi)部作業(yè)時間”，我們統(tǒng)一稱為發(fā)動機的“上下臺時間”，設(shè)備開動率主要反映上下臺準(zhǔn)備時間的損失。試驗有效率描述的是設(shè)備運行過程中發(fā)動機是否運轉(zhuǎn)，因包含很多不確定因素，且主要與科研試驗本身特點、發(fā)動機成熟度、試驗科目內(nèi)容等相關(guān)，因此，不作為我們效率提升的研究對象。

3 上下臺效率提升精益技術(shù)研究

3.1 上下臺流程描述與分析

3.1.1 案例背景

上下臺過程的效率提升我們以某企業(yè)發(fā)動機試車臺為背景展開研究，詳細背景不在本文詳述。近年來，隨著航空發(fā)動機發(fā)展的加速，在研型號眾多，都對試驗提出了任務(wù)需求，進一步縮短發(fā)動機試驗周期、提高臺試驗?zāi)芰ΑM足不斷增長的試驗需求已經(jīng)成為企業(yè)的關(guān)注重點。

3.1.2 上下臺流程描述

以臺為研究對象，對某型發(fā)動機上下臺全流程進行詳實的數(shù)據(jù)收集、時間觀察和作業(yè)測定，對上下臺流程進行梳理分析、顯性化。根據(jù)時間觀察數(shù)據(jù)，對上下臺每日工作按照專業(yè)內(nèi)容、關(guān)鍵資源使用等情況進行劃分，繪制的試驗件上下臺過程主要內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 上下臺的一般流程

3.1.3 問題與現(xiàn)狀

在試驗件上下臺時間觀察過程中，因作業(yè)涉及到的人員、專業(yè)、操作方法及所使用的工具復(fù)雜繁多，本次時間觀察重點關(guān)注上下臺流程的關(guān)鍵路徑，此外，針對影響上下臺作業(yè)的關(guān)鍵資源也作為分析重點對象，如行車、運輸車等。根據(jù)對試驗件上下臺流程的時間觀察和梳理分析，對存在的主要問題分類匯總。

3.2 精益技術(shù)在效率提升中的應(yīng)用

3.2.1 優(yōu)化思路

以精益理念為指引，以提高試驗件上下臺效率縮短流程時間為目標(biāo)，堅持“全流程審視，問題導(dǎo)向，分步實施，持續(xù)改進”的工作方針，以流程梳理為突破口，明確上下臺操作步驟和人員分工，合理配置資源，充分利用試驗作業(yè)空間開展并行作業(yè)；使用快速換型，減少占臺時間；依據(jù)動作經(jīng)濟原則和人因工程學(xué)方法，減少操作者的疲勞，提高作業(yè)舒適度。

通過現(xiàn)場作業(yè)觀察，結(jié)合精益思想和IE 改善原則，對存在的問題給出相應(yīng)的改善思路如圖2 所示。

圖2 問題與優(yōu)化思路

3.2.2 改善提升措施

①落實試驗準(zhǔn)備，縮短等待時間。

試驗準(zhǔn)備是試驗件從合同簽訂到試驗件上臺、試驗開展、試驗件下臺的整個過程中，為了確保試驗件能夠按計劃順利進行上臺、試驗，保證試驗正常開展而進行的相關(guān)人員培訓(xùn)、技術(shù)資料準(zhǔn)備、設(shè)計改造及資源調(diào)配的準(zhǔn)備活動，也可將該活動過程稱為試驗準(zhǔn)備階段。

在本次試驗件上臺過程觀察中，多次發(fā)現(xiàn)工具錯拿、現(xiàn)場尋找工裝、臨時發(fā)現(xiàn)缺件等現(xiàn)象，主要原因是上臺準(zhǔn)備階段沒有制定詳細工作清單或沒有嚴(yán)格按照準(zhǔn)備工作清單開展準(zhǔn)備工作，直到上臺過程中發(fā)現(xiàn)缺件、錯件等才采取措施應(yīng)對，導(dǎo)致上臺工作存在等待時間浪費，因此，建議落實試驗準(zhǔn)備工作，縮短過程等待時間。落實試驗準(zhǔn)備工作，保障各類資源條件，實現(xiàn)上下臺過程“準(zhǔn)時化”、“連續(xù)化”，縮短非增值的等待時間浪費。

②導(dǎo)入管理看板，實現(xiàn)流程透明。

管理看板是試驗過程管理可視化的一種表現(xiàn)形式，即對試驗過程進度、資源等狀況一目了然地表現(xiàn)，主要是對于試驗過程進行的透明化管理活動。

針對上下臺流程現(xiàn)狀，建議優(yōu)先設(shè)計并構(gòu)建上下臺作業(yè)進度管理看板，進一步對試驗全過程進行可視化設(shè)計。試驗準(zhǔn)備計劃可以作為初階段主要可視化要素，并認真運行和維護，使得試驗準(zhǔn)備進度透明化，保障調(diào)度員可以根據(jù)實際情況及時協(xié)調(diào)各類資源配置，進一步減少上下臺過程不確定因素及異常情況對整體周期和計劃執(zhí)行的影響。

③推動目視管理，減少尋找時間。

目視管理是利用形象直觀而又色彩適宜的各種視覺感知信息來組織現(xiàn)場生產(chǎn)活動，達到減少差錯、提高勞動生產(chǎn)率的一種管理手段。目視管理以視覺信號為基本手段，以公開化為基本原則，盡可能地將管理者的要求和意圖讓大家都看得見，借以推動看得見的管理、自主管理、自我控制。

在本次試驗件上臺過程觀察中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場目視管理元素很少，在切換過程中，流量管、主輔支架、排擴等工裝及各類測試管線的尋找和安裝均占用大量時間，原因之一是缺乏目視管理，如現(xiàn)場測量流量管關(guān)鍵尺寸確定合適的配套流量管、現(xiàn)場尋找外觀相似的試驗件配套主輔支架、現(xiàn)場查表確定外觀相似的測試線的連接頭和安裝位置等。因此，建議推動目視管理，減少尋找時間。

④實施并行作業(yè)，縮短關(guān)鍵路徑。

在上下臺全流程中，從上臺份試驗件下臺到本臺份試驗件上臺結(jié)束具有最大路徑長度（該路徑上的各個活動所持續(xù)的時間之和）的路徑稱為關(guān)鍵路徑，而關(guān)鍵路徑上的活動稱為關(guān)鍵活動，其中任何一個活動的延遲都會導(dǎo)致整個上下臺流程完成時間的延遲。

事實上，根據(jù)試驗件上下臺現(xiàn)場觀察記錄，在試驗艙空間大小、作業(yè)先后順序技術(shù)要求等限制無法改變的前提下，上下臺作業(yè)中關(guān)鍵活動仍然具備并行的可行性。因此，建議實施并行作業(yè)，縮短關(guān)鍵路徑，主要內(nèi)容包括：新工裝的準(zhǔn)備工作可以在切換前與其它工作并行開展；油門桿的安裝調(diào)試可以與飛附機匣的安裝調(diào)試工作并行開展；試驗件接收過程可以和準(zhǔn)備工作并行開展。改善示例如圖3。

圖3 作業(yè)流程優(yōu)化示例

⑤設(shè)計快換工裝，減少切換時間。

快換工裝指利用成組技術(shù)設(shè)計工裝或夾具，僅通過簡單調(diào)整、更換局部模塊或更換快換底板等方法就能滿足多種型號試驗件的安裝和拆卸。試驗件上下臺過程中，如果連續(xù)兩臺份試驗件差異較大，幾乎所有的工裝均需要切換，工裝的切換和安裝工作需要占用大量時間，并且勞動強度大，因此，建議設(shè)計快換工裝，減少切換時間。主要包括：專用吊具、輔助支架快速連接工裝、小型化快速測試模塊、預(yù)裝平臺等。

⑥明確關(guān)鍵資源，消除瓶頸制約。

關(guān)鍵資源的制約是導(dǎo)致試驗件上下臺流程時間長的重要原因之一。明確關(guān)鍵資源，對于消除瓶頸制約減少等待時間具有重要意義，試驗件上下臺過程中的關(guān)鍵制約資源主要有：運輸車、行車、起重機等。

⑦改善作業(yè)環(huán)境，降低勞動強度，提高安全系數(shù)。

試驗件上下臺過程中操作難度大、操作者體力消耗大，大量需要爬高、下蹲及彎腰完成的操作，以及緊固大螺釘?shù)墓ぷ?，容易?dǎo)致工人疲勞以致效率低下。上下臺過程中操作者的動作主要可以分為吊裝、徒手搬運、定位、連接、緊固、綁扎，可以依據(jù)動作經(jīng)濟原則和人因工程學(xué)方法進行改善，減少操作者的疲勞，提高工作效率。

3.2.3 應(yīng)用效果分析

依據(jù)上下臺流程現(xiàn)狀，從改善效果和實施難度兩個維度對改善提升對策進行分析。流程優(yōu)化優(yōu)先改善內(nèi)容和方向主要包括：改善作業(yè)環(huán)境、消除瓶頸資源、落實試驗準(zhǔn)備等。從實踐結(jié)果來看，通過對上下臺流程進行優(yōu)化改善，該發(fā)動機試驗臺試驗流程得到改善和優(yōu)化提升，典型發(fā)動機的上下臺時間縮短了20%左右。

4 結(jié)論

設(shè)計試驗效率的衡量指標(biāo)是統(tǒng)一和規(guī)范相關(guān)工作的基礎(chǔ)與前提，為了保證指標(biāo)的有效性，作者參考當(dāng)前國內(nèi)外大型制造型企業(yè)常用的衡量設(shè)備綜合效率的OEE 指標(biāo)，結(jié)合試驗業(yè)務(wù)的特點，首次提出衡量發(fā)動機試驗效率的綜合指標(biāo)OEE_T 以及計算公式，并對影響試驗效率的關(guān)鍵因素進行定義，從OEE_T 指標(biāo)構(gòu)成可以看出，影響試驗效率的因素主要由三部分組成，分別是占臺率、設(shè)備開動率和試驗有效率，考慮到試驗有效率的高低主要與科研試驗本身特點、發(fā)動機成熟度、試驗科目內(nèi)容等相關(guān)，不作為本次效率提升的研究對象，文章主要圍繞如何提高設(shè)備開動率方面展開研究。

在提高設(shè)備開動率方面，文章通過對上下臺過程進行梳理和優(yōu)化，運用精益生產(chǎn)的工具和技術(shù)方法，進一步縮短發(fā)動機占臺準(zhǔn)備時間。最后，本文的研究成果在某企業(yè)試驗臺進行驗證，實踐結(jié)果表明，該發(fā)動機試驗臺試驗流程得到改善和優(yōu)化提升，典型發(fā)動機的上下臺時間縮短了20%左右，為其它發(fā)動機試驗企業(yè)的管理提升提供理論和實踐支持。